傳熱學課件第六章--單相流體對流換熱

1、第六章第六章 單相流體對流換熱及準則關聯(lián)式單相流體對流換熱及準則關聯(lián)式第一節(jié) 管內受迫對流換熱第二節(jié) 外掠圓管對流換熱第三節(jié) 自然對流換熱第一節(jié)第一節(jié) 管內受迫對流換熱管內受迫對流換熱一、定性分析（基本概念）一、定性分析（基本概念）1.1.進口段與充分發(fā)展段進口段與充分發(fā)展段1.1.對于流動狀態(tài)：由對于流動狀態(tài)：由 Re=uRe=um md/d/ 判斷判斷 一般：Re104 管內流動為旺盛紊流 2300Re.2.對于換熱狀態(tài)對于換熱狀態(tài) 熱進口段：熱進口段：與流動邊界層相類似，自管口開始經(jīng)一段距離后，熱邊界層閉合，換熱狀態(tài)達到定型的這段距離。 熱充分發(fā)展段：熱充分發(fā)展段：熱進口段后，換熱狀態(tài)定

2、型，已經(jīng)得到充分發(fā)展，故稱為。 熱充分發(fā)展段后，因流體不斷換熱，流體斷面平均溫度tf隨x是不斷變化的，但分析證明，無因次溫度（tw-t）/（tw-tf）將保持不變，即： 0fwwttttx第一節(jié)第一節(jié) 管內受迫對流換熱管內受迫對流換熱 由于無因次溫度不隨x發(fā)生變化，僅是r的函數(shù)，故對無因次溫度求導后再令r=R，則上式顯然應等于一常數(shù)。又據(jù)傅里葉定律：q=-（t/r）r=R及牛頓冷卻公式：q=h（tw-tf），上式變?yōu)椋篺wRrRrfwwttrtttttrConsthttrtttttrfwRrRrfww一、定性分析（基本概念）一、定性分析（基本概念）1.1.進口段與充分發(fā)展段進口段與充分發(fā)展段2

3、.2.對于換熱狀態(tài)對于換熱狀態(tài) 將上述無因次溫度對r求導后且令r=R時有： 上式表明：常物性流體在熱充分發(fā)展段換熱系數(shù)h保持不變。這是熱充分發(fā)展段的重要特性。第一節(jié)第一節(jié) 管內受迫對流換熱管內受迫對流換熱一、定性分析（基本概念）一、定性分析（基本概念） 2.2.對于換熱狀態(tài)對于換熱狀態(tài)Re.2.對于換熱狀態(tài)對于換熱狀態(tài)Re104紊流入口段充分發(fā)展段x/dhhhhxx（層流）hx，x邊界層轉入紊流 c hx，x c不變而 hx，x c不變且=R hx不變。此時hx不變的距離（即進口段長度）：L/d=1045第一節(jié)第一節(jié) 管內受迫對流換熱管內受迫對流換熱一、定性分析（基本概念）一、定性分析（基本概

4、念）1.1.進口段與充分發(fā)展段進口段與充分發(fā)展段3.3.長管與短管長管與短管 一般當L/d60時，稱為長管，否則按短管計算。4.Pr4.Pr數(shù)與流動、熱進口段長度的關系數(shù)與流動、熱進口段長度的關系 流動進口段與熱進口段不一定相等。只有當Pr=1Pr=1時時兩者才相相等等。 當Pr=Pr= / /11時，相同的x處，t，達到同樣的尺寸R時，流動邊界層快些，即流動邊界比熱邊界層更快地管中心線閉合，此時，流動進口段比熱進口段短流動進口段比熱進口段短。 當Pr=Pr= / /11時相反，此時，流動進口流動進口段比熱進口段長段比熱進口段長。第一節(jié)第一節(jié) 管內受迫對流換熱管內受迫對流換熱 另外，不同斷面具

5、有不同的tf值，即tf隨x變化，變化規(guī)律與邊界條件有關。fRmfVRfrudrudfu00221ppfcmct體的質量單位時間流經(jīng)該斷面流體的焓值單位時間流經(jīng)該斷面流總焓斷面RffturdruRdfuctdfucmppft00022一、定性分析（基本概念）一、定性分析（基本概念）2.2.定性參數(shù)定性參數(shù)1.1.管內流體平均速度管內流體平均速度u um m2.2.管內流體平均溫度管內流體平均溫度第一節(jié)第一節(jié) 管內受迫對流換熱管內受迫對流換熱一、定性分析（基本概念）一、定性分析（基本概念）2.2.定性參數(shù)定性參數(shù)2.2.管內流體平均溫度管內流體平均溫度常熱流通量邊界條件：常熱流通量邊界條件： 如圖

6、，此時：twtf 經(jīng)分析：充分發(fā)展段后： tf呈線性規(guī)律變化 tw也呈線性規(guī)律變化 此時，管內流體的平均溫度為：進口段充分發(fā)展段txtw/tf/tw/tf/2fffttt 其中：tf/、tf/分別為進出口斷面流體的平均溫度。為方便起見，一般仍將全管流體的平均溫度記作tf。第一節(jié)第一節(jié) 管內受迫對流換熱管內受迫對流換熱一、定性分析（基本概念）一、定性分析（基本概念）2.2.定性參數(shù)定性參數(shù)2.2.管內流體平均溫度管內流體平均溫度常壁溫邊界條件：常壁溫邊界條件： 設進出口溫差分別為t/、t/。 經(jīng)分析有： 表明tf隨x呈對數(shù)規(guī)律變化。txtw=Consttf/tf/t/t/此時twtf xRuch

7、ttmp2exptf（x）ttttttttmt lnlna.a.若若t/ /t/20 據(jù)伯努里方程： zg+p/+u2/2=Const dp/dx0 由于P，迫使近壁流體回流。 渦流繞流脫體。 繞流脫體起點：du/dy=0處。 當Re1.5105時，層流，開始隨h，到達分離點分離點（=8285左右），發(fā)生繞流脫體h； 當Re1.5105時，慣性力大，分離點后移至=140左右，分離點前h的變化同紊流邊界層，分離點后分離點后h h又開始回升又開始回升。0dxdp0dxdp分離區(qū)puy面一、外掠單管一、外掠單管第二節(jié)第二節(jié) 外掠圓管對流換熱外掠圓管對流換熱 相同情況下，順排的換熱效果差。要達到相同的

8、換熱效果時，順排的泵、風機功耗小，但所需換熱設備的面積大，故應綜合考慮排管方式，以達到較高的經(jīng)濟效益。 另在選取流速時，因qu0.60.8，而泵、風機功耗Wu3，故單純從經(jīng)濟效益看，低流速可獲較高的經(jīng)濟利益。但u換熱面積初投資，故存在一最佳經(jīng)濟流速。順排管束叉排管束二、外掠管束二、外掠管束第三節(jié)第三節(jié) 自自 然然 對對 流流 換換 熱熱一、無限空間自由流動換熱（大空間自然對流）一、無限空間自由流動換熱（大空間自然對流） 指熱（冷）表面的四周沒有其它阻得自由對流的物體存在。一般準則方程式可整理成： Nu=f（GrPr） 一般GrPr109時為紊流，否則為層流。 對于常壁溫的自由流動換熱，其準則方

9、程式?？烧沓桑?Num=C（GrPr）mn C、n可參見表6=5，注意使用范圍、定型尺寸、定性溫度。 令：Ra=GrRa=GrPr RaPr Ra為瑞利準則數(shù)為瑞利準則數(shù)。 既適用常壁溫也適用常熱流邊界的實驗準則方程式，常見的為邱吉爾（Churchill）和朱（Chu）總結的式6-19，20。第三節(jié)第三節(jié) 自自 然然 對對 流流 換換 熱熱二、有限空間中的自然對流換熱二、有限空間中的自然對流換熱 流體的流動受周圍物體的制約。如雙層玻璃窗內空氣的自然對流。當tw1tw2時，會產生二次環(huán)流。tw1tw2h21wwttqe nmheGrCPr換熱為自由流動換熱和導熱綜合作用。引入當量導熱系數(shù)e，則

10、可有：常可整理成準則方程式形式：式中：定性溫度為tm=（tw1+tw2）/2 定型尺寸為： C、m、n見表6-6第三節(jié)第三節(jié) 自自 然然 對對 流流 換換 熱熱 e/=Nu 故e/即為有限空間自由對流換熱的努謝爾特數(shù)。 另外一般地說： 對于：水平夾層：Gre1700時 垂直夾層：Gre2000時21wwttqeh2121wwewwettttqh 均作純導熱處理二、有限空間中的自然對流換熱二、有限空間中的自然對流換熱 據(jù)牛頓冷卻公式：q=he（tw1-tw2） he為當量對流換熱系數(shù)。 可改寫成：故有：此時可認為夾層內無環(huán)流產生。第三節(jié)第三節(jié) 自自 然然 對對 流流 換換 熱熱 當Gr/Re210時：作純自由流動 當Gr/Re20.1時：作純受迫流動 當0.1Gr/Re210時：作混合流動 橫管內混合對流換熱可按下式估算：31